本發(fā)明屬于固體廢棄物二次利用領(lǐng)域，特別涉及一種工業(yè)廢棄物基地質(zhì)聚合物及其制備方法。
背景技術(shù)：
：地質(zhì)聚合物（geopolyme）是近40年來發(fā)展起來的一類新型堿激活膠凝材料，是一種由alo4和sio4四面體結(jié)構(gòu)單元組成三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的無機(jī)聚合物，屬于非金屬材料。其性能與水泥相似，但性能優(yōu)于水泥。與普通硅酸鹽水泥相比較，具有高強(qiáng)、耐酸堿、低滲透、低收縮、低膨脹、低導(dǎo)熱、耐高溫、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。另外，傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥采用“兩磨一燒”工藝，消耗大量石油、煤和天然氣等能源，同時(shí)排放出大量的溫室氣體，而地質(zhì)聚合物的制備過程能耗低（傳統(tǒng)水泥能耗的30%，陶瓷的1/20，鋼的1/70，塑料的1/150），co2排放量少（傳統(tǒng)硅酸鹽水泥的1/5），可以說是一種無污染的“綠色”環(huán)保材料，近年來受到廣泛關(guān)注。地質(zhì)聚合物在建筑材料、高強(qiáng)材料、固核固廢材料、密封材料、和耐高溫材料等方面均有應(yīng)用。國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域起步較晚,目前僅有少量基礎(chǔ)性研究論文和綜述發(fā)表，這些文章大多針對(duì)地聚合物在水泥方面的應(yīng)用，而關(guān)于怎樣制備高性能地聚合物材料的報(bào)道十分少見。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，其所產(chǎn)生的廢棄物也越來越多。特別是近幾十年來，我國(guó)鋼鐵工業(yè)和鋁業(yè)迅猛發(fā)展，產(chǎn)生了大量的廢渣，很大部分還沒有得到很好的利用。大量廢渣的堆積不僅占用土地資源，而且會(huì)造成環(huán)境污染和安全隱患。并且鋼渣由于容易粉化目前還沒有得到很好的利用。實(shí)現(xiàn)鋼鐵廢渣的有效回收利用是鋼鐵企業(yè)的責(zé)任和任務(wù)。因此，如何合理、有效地利用鋼鐵渣資源，是近幾年來國(guó)內(nèi)外鋼鐵行業(yè)、建材工業(yè)等企業(yè)所面臨的重要課題之一。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的之一是研究開發(fā)一種工業(yè)廢棄物基地質(zhì)聚合物及其制備方法，利用鋁灰、高爐渣、鋼渣，配合添加少量的偏高嶺土，在堿性激發(fā)劑的作用下使其發(fā)生聚合反應(yīng)來制備地質(zhì)聚合物，達(dá)到廢棄物回收利用的目的。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種工業(yè)廢棄物基地質(zhì)聚合物的制備方法，包括以下步驟：（1）將鋁灰、高爐渣、鋼渣和偏高嶺土分別研磨成10～20μm的粉末，然后混合均勻得到混合物；所述混合物中，鋼渣的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為35～45%，鋁灰的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為鋁灰35～45%；（2）將na2sio3與naoh溶液按照質(zhì)量比1:10攪拌均勻，得到堿性激發(fā)劑；（3）將堿性激發(fā)劑與混合物混合，攪拌20～30min后注入模具中，在60℃下干燥24h后脫模，然后在室溫下養(yǎng)護(hù)，得到工業(yè)廢棄物基地質(zhì)聚合物。本發(fā)明還公開了一種工業(yè)廢棄物基地質(zhì)聚合物前驅(qū)體系的制備方法，包括以下步驟：（1）將鋁灰、高爐渣、鋼渣和偏高嶺土分別研磨成10～20μm的粉末，然后混合均勻得到混合物；所述混合物中，鋼渣的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為35～45%，鋁灰的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為鋁灰35～45%；（2）將na2sio3與naoh溶液按照質(zhì)量比1:10攪拌均勻，得到堿性激發(fā)劑；（3）將堿性激發(fā)劑與混合物混合，攪拌20～30min，得到工業(yè)廢棄物基地質(zhì)聚合物前驅(qū)體系。上述技術(shù)方案中，所述naoh溶液的濃度為8mol/l。上述技術(shù)方案中，混合物中，各成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為：鋁灰35～45%，高爐渣10～15%，鋼渣35～45%，偏高嶺土8～12%。上述技術(shù)方案中，堿性激發(fā)劑的用量為混合物質(zhì)量的30%。高爐渣和鋼渣是鋼鐵企業(yè)產(chǎn)生的主要固體廢棄物，高爐渣是高爐煉鐵過程中產(chǎn)生的主要固體廢物，鋼渣是轉(zhuǎn)爐或者電爐冶煉過程中形成的。鋼渣由于易粉碎性而無法進(jìn)行較好的工業(yè)應(yīng)用，導(dǎo)致其大量被填埋處理。本發(fā)明結(jié)合其他成分限定，添加大量鋼渣，得到的地質(zhì)聚合物性能優(yōu)異，克服了現(xiàn)有鋼渣無法應(yīng)用或者僅能少量利用的問題。鋁灰是電解鋁或鑄造鋁生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生的熔渣經(jīng)冷卻加工后的產(chǎn)物；其含有多種雜質(zhì)，現(xiàn)有技術(shù)認(rèn)為會(huì)影響地質(zhì)聚合物的凝膠過程，從而不適用于制備地質(zhì)聚合物，現(xiàn)有技術(shù)沒有關(guān)于鋁灰與地質(zhì)聚合物關(guān)系的報(bào)道。本發(fā)明通過限定各組分比例，尤其鋼渣與鋁灰的配合，結(jié)合養(yǎng)護(hù)工藝，制備出性能優(yōu)異的地質(zhì)聚合物，徹底解決了現(xiàn)有技術(shù)問題。傳統(tǒng)的制備地質(zhì)聚合物的原材料主要為煅燒高嶺石即偏高嶺土。將高嶺石在600～700℃高溫下煅燒6h后，與堿激發(fā)劑混合成漿狀,澆入模具，在室溫至70℃靜置養(yǎng)護(hù)，但是價(jià)格相對(duì)較高而且會(huì)造成資源枯竭；本發(fā)明僅采用少量的偏高嶺土，結(jié)合其他廢棄原料的比例限定，可以得到強(qiáng)度良好、符合應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的地質(zhì)聚合物。很多研究表明，原材料的礦物組成和自身性質(zhì)對(duì)地質(zhì)聚合物的機(jī)械性能和地質(zhì)聚合物的合成過程影響很大，尤其是不同鋁硅酸鹽礦物與高嶺石混合后，發(fā)生聚合反應(yīng)的行為差異很大，導(dǎo)致產(chǎn)品性能各異。利用固體廢棄物制備地質(zhì)聚合物進(jìn)行的研究，國(guó)內(nèi)外以利用粉煤灰最多。工業(yè)固體廢棄物的化學(xué)成分各有不同，其礦物組成也有較大差異，如:原材料中化學(xué)成份、礦物組成、si/al、cao含量、堿激發(fā)劑種類等對(duì)制備出的地質(zhì)聚合物性能都有很大影響，導(dǎo)致制備出的地質(zhì)聚合物各項(xiàng)性能同樣差異也較大，比如采用不同產(chǎn)地的高嶺土，制備的地質(zhì)聚合物性能也存在明顯差別；現(xiàn)有技術(shù)認(rèn)為粉煤灰制備的地質(zhì)聚合物抗壓與抗折強(qiáng)度最佳。本發(fā)明以廢棄物為主，僅添加一層左右的偏高嶺土，解決了各廢棄物中雜質(zhì)成分的影響，通過參數(shù)限定，合理配伍，制備的地質(zhì)聚合物性能優(yōu)異，符合應(yīng)用要求；克服了現(xiàn)有技術(shù)認(rèn)為廢棄物為主無法得到可應(yīng)用地質(zhì)聚合物以及只有粉煤灰才可用于制備廢棄物基底地質(zhì)聚合物的技術(shù)偏見。原材料中的結(jié)晶相和玻璃相的聚合物在很大程度上影響著原材料的活性，但是固體鋁硅酸鹽在發(fā)揮其膠凝性能時(shí),聚合的變化也是很復(fù)雜的。玻璃體的聚合度在什么范圍制備出的地質(zhì)聚合物性能最好,評(píng)定鋁硅酸鹽工業(yè)廢渣活性指標(biāo)等,還有待進(jìn)一步研究，現(xiàn)有技術(shù)還沒有相關(guān)理論指導(dǎo)。本發(fā)明的地質(zhì)聚合物所用原料主要是目前產(chǎn)量較多的工業(yè)廢棄物，為這些廢棄物的二次利用提供了一種新的途徑。堿激發(fā)膠凝材料反應(yīng)產(chǎn)物一直是研究的熱點(diǎn),而且不同的學(xué)者的觀點(diǎn)難以統(tǒng)一。究其原因，一是反應(yīng)產(chǎn)物結(jié)晶程度低，現(xiàn)有的測(cè)試手段難以準(zhǔn)確地描述和測(cè)量；二是不同學(xué)者研究手段和實(shí)驗(yàn)條件各異；另外，隨著激發(fā)劑體系的不同，反應(yīng)產(chǎn)物也有所不同?，F(xiàn)有地質(zhì)聚合物一般存在早凝現(xiàn)象,而且早期強(qiáng)度高,但后期強(qiáng)度增長(zhǎng)不大,這是由于地質(zhì)聚合物的早凝阻止了原材料的進(jìn)一步水化；本發(fā)明的地聚合物在成型、反應(yīng)過程凝固后部分自由水作為結(jié)構(gòu)水存在于反應(yīng)物當(dāng)中,終產(chǎn)物以離子鍵以及共價(jià)鍵為主,范德瓦爾斯鍵為輔,因此具備優(yōu)異的性能。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，但是需要說明的是，實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制。將鋁灰、高爐渣、鋼渣和偏高嶺土研磨成10～20μm的粉末，然后按照表1所示的配比混合均勻，得到原料混合物。用na2sio3與naoh溶液（8mol/l）按照質(zhì)量比1:10攪拌均勻，得到堿性激發(fā)劑。將堿性激發(fā)（原料混合物總質(zhì)量的30%）加入到原料混合物中并攪拌20～30min，得到混合均勻的漿料。然后將漿料注入模具（40mm×40mm×160mm）中，在干燥箱（溫度60℃）內(nèi)干燥24h；然后脫模，抗壓強(qiáng)度在50mpa左右。脫模后在室溫（＞20℃）條件下養(yǎng)護(hù)28天，然后測(cè)試其抗壓強(qiáng)度；稱取地聚合物樣品的起始質(zhì)量后，分別浸入4mol/l的naoh溶液中（采用濃度為1mol/l的鹽酸，浸入10分鐘）,記下起始時(shí)間,30min后取出，在50℃烘箱中干燥1h，再稱重，計(jì)算質(zhì)量保持率；結(jié)果如表1所示，很明顯，本發(fā)明的產(chǎn)品性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。表1實(shí)施例組成配比（質(zhì)量百分比）及性能實(shí)施例鋁灰高爐渣鋼渣偏高嶺土抗壓強(qiáng)度（mpa）抗彎強(qiáng)度（mpa）耐堿性耐酸性1381140118024199.7%99.5%235144298224599.4%99.6%3401138118325099.8%99.7%4401236128424999.7%99.7%544103888324699.6%99.5%6371439108224799.5%99.5%可以看出，本發(fā)明方法制備的地質(zhì)聚合物不僅力學(xué)強(qiáng)度優(yōu)異，而且耐酸堿能力強(qiáng)，制備過程無需特殊處理，表面無白霜，收縮率低，另外，本發(fā)明產(chǎn)品性能穩(wěn)定，十批產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度誤差小于0.1%，解決了現(xiàn)有技術(shù)因大量地利用工業(yè)副產(chǎn)品或廢渣，這些工業(yè)副產(chǎn)品或廢渣成分和性質(zhì)渡動(dòng)往往較大,實(shí)際生產(chǎn)中難以穩(wěn)定產(chǎn)品的質(zhì)量與性能的缺陷。地聚合物材料的研究在我國(guó)尚屬起步階段，對(duì)其形成機(jī)理、制備工藝、應(yīng)用開發(fā)的進(jìn)一步研究不但具有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值，而且必將對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)有益的影響。本發(fā)明還可以有其它實(shí)施方式，凡采用同等替換或等效變換形式的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)12